Реферат: «Ядерные превращения. Деление ядер»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Факультет Управления и экономики высоких технологий

Институт международных отношений

Реферат на тему:

«Ядерные превращения. Деление ядер»

Выполнила: студентка У4-02 Галуева Д.О.

Научный руководитель: Самедов В.В

Москва

2011г
Содержание
Содержание 3

Введение 4

Ядерные превращения 5

Радиоактивность 7

История открытия 10

Деление ядер 12

Механизм деления 14

Описание на основе капельной модели 16

Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления 19

Стадии процесса деления 24

Энергия деления 26

Продукты деления 28

Применение 30

Заключение 32

Список литературы 33



Введение
В 1932 году был открыт нейтрон. Прошло 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер. Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. За прошедшие после открытия этого явления десятки лет ядерные реакции проникли практически во все сферы деятельности человека. Ядерные реакции используются в энергетике, военной сфере, при синтезе новых элементов, в медицине и, конечно же, в ходе научных исследований. Но, несмотря на столь широкое применение, не весь потенциал ядерных превращений уже изучен, еще остается много неизведанного. Например, не приведен в жизнь еще метод термоядерного синтеза.

Широкая сфера применения ядерных превращений заинтересовала меня, побудив выбрать эту тему для доклада.


В своем реферате я рассмотрела основные виды ядерных превращений, историю их открытия, особенности протекания некоторых реакций, основные сферы применения деления ядер и остальных видов превращений.
^ Ядерные превращения

Изменения, происходящие в ядрах, можно разбить на три группы:

изменение одного из нуклонов в ядре;

перестройка внутренней структуры ядра;

перегруппировка нуклонов из одних ядер в другие.

К первой группе относятся различные виды β-распада, когда один из нейтронов ядра превращается в протон или наоборот. Первый (более частый) вид β-распада происходит с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Второй вид β-распада происходит или путем испускания позитрона и электронного нейтрино, или путем захвата электрона и испускания электронного нейтрино (захват электрона происходит с одной из ближайших к ядру электронных оболочек). Заметим, что в свободном состоянии протон не может распасться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино – для этого необходима дополнительная энергия, которую он получает у ядра. Общая энергия ядра, тем не менее, понижается при превращении протона в нейтрон в процессе β-распада. Это происходит за счет снижения энергии кулоновского отталкивания между протонами ядра (которых становится меньше). Ко второй группе следует отнести γ-распад, при котором ядро, первоначально находившееся в возбужденном состоянии, сбрасывает излишек энергии, излучая гамма-квант. К третьей группе относятся α-распад (испускание исходным ядром α-частицы – ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов), деление ядра (поглощение ядром нейтрона с последующим распадом на два более легких ядра и испускание нескольких нейтронов) и синтез ядра (когда в результате столкновения двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и, возможно, остаются легкие осколки или отдельные протоны или нейтроны).


! При α-распаде ядро испытывает отдачу и заметно смещается в сторону, противоположную направлению вылета α-частицы. В то же время отдача при β-распаде гораздо меньше. Это вызвано тем, что масса электрона в тысячи (и даже в сотни тысяч раз – для тяжелых атомов) меньше, нежели масса ядра.!


Рассмотрим, к каким метаморфозам ядер приводят три вида радиоактивности, открытые в начале XX в.:

При -распаде (испускании ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов) из ядра с исходными Z и A получается ядро с Z-2 и А-4.

При -распаде (испускании электрона) один из нейтронов превращается в протон, а ядро с Z и A - в ядро с Z+1 и тем же A.

И наконец, при испускании -кванта, т.е. энергичного фотона, ядро теряет часть энергии, сохраняя первоначальные Z и A.

Каждому элементу соответствует целый набор изотопов. Полное их число на сегодня превышает 2 тыс.

Итак, ядерные превращения возникают как вследствие процессов радиоактивного распада ядер, так и вследствие ядерных реакций, сопровождающихся делением или синтезом ядер.
Радиоактивность


Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучения.


К числу основных типов превращений относятся:

α -распад,

β- -распад,

β+ -распад, или электронный захват,

изомерный переход, при котором ядра переходят из возбужденного состояния с большим временем жизни (изомерные состояния) в менее возбужденное или в основное состояние,

спонтанное деление тяжелых ядер.


Радиоактивные вещества испускают три вида излучения:

α-излучение — тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/сек и поглощающиеся слоем алюминия в несколько микрон. Впоследствии методом спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра гелия 24He.

β-излучение — легкие, отрицательно заряженные частицы - электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм.

γ-излучение — сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном поле. Природа γ-излучения — жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую длину волны, чем рентгеновское.


Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными (нестабильными), а не подверженные - стабильными. Такое деление условно, так как, в сущности, все ядра могут самопроизвольно распадаться, но этот процесс в разных ядрах идет с различной скоростью.

Во многих случаях самопроизвольные превращения радионуклидов приводят к образованию новых радио-изомеров, образующих так называемые радиоактивные цепочки. В конечном счете, радиоактивные превращения заканчиваются стабильным нуклидом. Радиоактивные цепочки могут быть простыми (линейными) и сложными (с ветвлениями). Доля превращения материнского радионуклида в дочерний характеризуется коэффициентом ветвления и выражается в процентах по отношению ко всем видам превращения данного ядра.

Все известные радиоактивные нуклиды объединены в изобарные цепочки, каждая из которых показывает все радиоактивные превращения ядер с данным массовым числом.

Массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом заряд следующего элемента либо повышается на единицу, либо понижается на две единицы. Эта закономерность, названная правилами смещения, очевидно, объясняется тем, что радиоактивное превращение сопровождается либо испусканием β-частицы (электрона), в результате чего заряд ядра повышается на единицу, а массовое число остается неизменным, либо испусканием α-частицы, уносящей четыре массовые единицы и двойной заряд.


Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно

dN = -λNdt

Вероятность распада λ входит в это уравнение в качестве коэффициента, который называется постоянной распада. Знак минус соответствует убыванию вещества в процессе распада. Закон изменения числа радиоактивных ядер со временем:

N = N0exp(-λt),


где N0 – число атомов вещества до начала распада. Если в полученное уравнение подставить вместо времени t период полураспада T½, то можно найти связь постоянной распада λ с периодом полураспада T½. Действительно, так как N(T½) = N0/2, то N0exp(-λ T½) = N0/2 и exp(-λ T½) = 1/2, откуда



Старейшей, до сих пор наиболее употребительной единицей радиоактивности является Кюри (Ки) и ее дольные единицы: миллиКюри (1 мКи=10-3 Ки) и микроКюри (1 мкКи=10-6 Ки). По первоначальному определению кюри есть активность одного грамма изотопа радия 88226Ra. Однако для удобства измерений это определение в дальнейшем было заменено следующим:

1Ки = 3,700·1010 Бк,

где единица активности в системе СИ в ^ 1Бк (Беккерель) соответствует такой активности, при которой происходит один распад за 1 секунду.

Гамма-излучение ядер


Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (Eγ < 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада,

Испускание γ-лучей ядрами, возбужденными значительно выше энергии отделения частицы, бывает связано с запретом по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-лучей относительно более вероятным. Примером такого рода является испускание γ-лучей с энергией 17 Мэв в результате реакции , идущей под действием s-протонов.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10-8 см ≥ λγ ≥ 10-11 см.

^ История открытия
В 1932 году был открыт нейтрон. Но прошло целых 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер (Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов).


В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами.

В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (1867 - 1934 гг.). В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже 2х столетий. Этого было достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных делению ядер.

Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц.

Третья лаборатория находилась в Вене.

В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна из первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на 2 группы, проводившие независимые исследования.

Кроме того в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. В 1928 г., Гейгер вместе с В. Мюллером разработали счетчик для регистрации -лучей.


В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон, и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Кроме того, произошли 2 других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики.

После открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной –радиоактивностью.

Кроме того, одним из главных детекторов была камера Вильсона, с помощью которой удается обнаружить лишь незначительное число реакций, в которых участвует нейтрон.

Электронная методика счета тогда только развивалась. Основным поводом для ее развития послужили неверные результаты, полученные в Вене; оказалось, что их никто не смог подтвердить. Поэтому необходимость разработки электронных счетчиков и усилителей стала очевидной. Венские ученые сами начали вести работы в этом направлении, но без особого успеха.

Путь, который привел к созданию хороших счетчиков, был найден в Англии Чарльзом Вином-Вильямсом.


В 1934 г. Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность. Они обнаружили, что алюминий, облучаемый -частицами, излучает позитроны, но им никогда не приходило в голову, что здесь может играть какую-то роль процесс распада. Они наблюдали испускание позитронов только во время облучения мишени. Никому не пришла в голову мысль о том, что в результате ядерного расщепления может возникнуть нестабильное ядро, хотя о существовании нестабильных ядер было уже известно лет тридцать или более того. Итак, так как при изучении исследовались только -частицы, не думали о нестабильных ядрах. Но к этому времени, в Риме у Ферми, который решил, что в ядерной физике есть еще важные и интересные направления исследований, уже были наготове некоторые экспериментальные установки. Он поставил эксперименты с целью понять, могут ли ядра становиться радиоактивными под действием нейтронов. Не прошло и 4х недель после открытия Кюри и Жолио, как Ферми опубликовал первые результаты, доказывавшие, что различные элементы становятся радиоактивными после их облучения нейтронами.

Спустя месяц он заявил, что при бомбардировке урана возникает некий новый тип радиоактивности, который, как ему кажется, должен быть связан с трансурановыми элементами. На основании теоретических соображений и экспериментальных данных тогда считали, что поглощение нейтронов тяжелыми элементами не может привести к их распаду. Поэтому все были уверены в том, что так должно быть и в случае с ураном.


Некоторое время спустя ученые Отто Ган и Лизе Мейтнер провели ряд исследований и обнаружили цепочки радиоактивных элементов, которые затем классифицировали. Были обнаружены три параллельные цепочки. Судя по образующимся продуктам распада, все вновь полученные элементы вели свое начало от 238U, возможно, что некоторые из них происходили от 235U. Большая длина цепочки казалась непонятной. Уран сам по себе не был -радиоактивным. Другие элементы этой группы никогда не испытывают больше двух последовательных -распадов, а здесь наблюдалось все 4 или 5.

Несколько позже, Ган и Штрассман обнаружили радиоактивные продукты, напоминавшие своим поведением актиний и отчасти радий.

^ Деление ядер
Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две (иногда на три) примерно равные по массе части (осколки деления).


Тяжелые ядра (Z≥ 90) делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Tn ≈ 1 Мэв, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление).

Ядра с Z < 90 делятся только вынужденным способом (точнее говоря, они имеют слишком большой период полураспада спонтанного деления), причем энергия возбуждения, необходимая для деления, растет с уменьшением параметра деления Z2/A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (τ ≈ 10-14 сек). Период полураспада для спонтанного деления меняется для разных ядер в очень широких пределах (от 1018 лет до нескольких десятых долей секунды для далеких трансурановых элементов).

В процессе деления ядра освобождается энергия Q ≈ 200 Мэв, значительную часть которой (~170 Мэв) уносят осколки в форме кинетической энергии. Осколки, образующиеся при делении, сильно перегружены нейтронами, вследствие чего они дают начало β--радиоактивным цепочкам из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт деления 92U) и запаздывающие (~ 1% мгновенных) нейтроны. В опытах по определению числа вторичных нейтронов, испускаемых в процессе вынужденного и спонтанного деления, было получено приближенное значение этого числа ν, равное (для обоих случаев) ν = 2,2 ± 0,3.

Мгновенные нейтроны испускаются движущимися осколками, запаздывающие - остановившимися продуктами деления поле предварительного β--распада. Спектр мгновенных нейтронов деления непрерывный, а запаздывающие нейтроны образуют несколько моноэнергетических групп.

Вынужденное деление слабо возбужденных ядер и спонтанное деление происходят не симметрично: отношение масс легкого и тяжелого осколков равно примерно 2/3 (двугорбая массовая кривая). При повышении энергии возбуждения деление постепенно симметризуется, и кривая распределения осколков по массам становится одногорбой.

Основные свойства процесса деления могут быть объяснены при помощи капельной модели ядра, которая позволяет вычислить Q, понять роль параметра деления и объяснить природу спонтанного деления.

Величина Q вычисляется как разность масс (энергий) исходного ядра и осколков, выраженных с помощью полуэмпирической формулы Вейцзеккера. Вычисление показывает, что деление энергетически выгодно (Q > 0) при Z2/A > 17 (т. е. при Z > 47), причем Q растет с ростом Z2/A. Из более подробного анализа следует, что в процессе деформации, предшествующей делению, энергия ядра должна первоначально возрастать и только после этого убывать (энергетический барьер деления). Высота барьера деления убывает с ростом Z2/A и при Z2/A = 45÷49 становится равной нулю (Z ≈ 120). Вынужденное деление возможно только при предварительном возбуждении ядра на энергию, превышающую высоту барьера деления. Спонтанное деление происходит в механизме туннельного перехода. При Z ≈ 120 спонтанное деление должно происходить мгновенно (за ядерное время).

Обратим внимание на то, что в этом отличии энергетической выгодности и энергетической возможности процесса нет ничего удивительного. Так, например, α-распад тяжелых ядер периодической системы всегда энергетически выгоден, однако из-за кулоновского барьера он оказывается энергетически невозможным в классической физике. Существование α-распада удается объяснить только при помощи квантово-механического эффекта прохождения α-частиц через потенциальный барьер. При этом из-за малой прозрачности потенциального барьера время жизни ядра относительно α-распада оказывается очень большим.

Деление ядер может происходить многими путями. Всего при делении образуется около 80 радиоактивных различных ядер-осколков, которые в процессе β-распада преобразуются в другие ядра — продукты деления. В настоящее время хорошо изучено примерно 60 цепочек, в составе которых обнаружено около 200 продуктов деления. Таким образом, средняя длина цепочки составляет 3—4 звена. В процессе последовательных β-переходов заряд первичного осколка может изменяться на 4 — 6 единиц (возможно, и больше, так как трудно регистрировать начальные участки цепочек из-за очень малых периодов полураспада).

Учитывая, что в разных случаях цепочки превращений имеют различную длину, и что при делении образуются два осколка, можно оценить среднее число электронов и антинейтрино, испускающихся на один акт деления. Оно равно примерно шести. Кроме того, в процессе β-переходов осколков и продуктов деления должны испускаться γ-кванты, сопровождающие β-распад.

Периоды полураспада у различных продуктов деления очень сильно отличаются.
^ Механизм деления
Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .

Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.


Взаимодействие, которое связывает нуклоны в ядре, определяется особыми, ядерными силами. Измерения показали, что хотя заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра несколько меньше суммы масс нуклонов. Куда же исчезла недостающая масса? Ответ следует из знаменитой формулы Эйнштейна, связывавшей энергию и массу, E=mc2, где с - скорость света.

Чтобы освободить нуклоны из ядра, необходимо затратить энергию, равную энергии связи Есв, которая удерживает их в ядре. И наоборот, при образовании ядра из свободных нуклонов должна выделиться та же энергия Есв. Но выделение энергии приводит к уменьшению массы ядра - дефекту массы:


M = Eсв/c2 = Zmp + Nmn - Mяд (Z, N) ,


где Мяд (Z, N) - масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов, а mp и mn - массы протона и нейтрона.


Поскольку наибольший дефект массы наблюдается у ядер в середине таблицы Менделеева, возможно 2 типа экзотермических ядерных превращений. Первый - реакции деления тяжелых ядер на средние, когда под действием нейтрона из одного ядра изотопа урана U выделяется около 214 МэВ энергии. Из них примерно 12 МэВ уносят нейтрино, поэтому реально высвобождающаяся ядерная энергия составляет 0,85 МэВ на нуклон, или 2,2 107 кВт/кг. Это в 2 млн раз больше энергии, выделяющейся при сгорании 1 кг нефти. В конце XX в. 17% всей производимой в мире электроэнергии вырабатывали атомные электростанции, где реализуется первый тип реакций.

Второй тип - слияние двух легких ядер (например, двух ядер дейтерия D - в ядро гелия He). Избыточная масса сливающихся ядер также преобразуется в энергию. Эту реакцию называют термоядерной.

Неуправляемая реакция синтеза легких ядер была осуществлена при взрыве водородной бомбы, и вот уже приблизительно полстолетия физики работают над проблемой управляемого термоядерного синтеза.


Любой химический элемент однозначно определяется его атомным номером Z - числом протонов в ядре. Но нейтронов N может быть больше или меньше. Атомы (и ядра) элемента, различающиеся лишь массой ядра (т.е. числом нейтронов), называют изотопами. Они помечаются соответствующим числом А, задающим их атомную массу, т.е. числом нуклонов A=Z + N. Все изотопы элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку структура электронных оболочек атома зависит от заряда ядра Z. Но при фиксированном Z свойства ядер с разными N, а значит, и А могут сильно различаться. Речь идет прежде всего об их устойчивости.

Существуют стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Каждый нестабильный изотоп характеризуется своим периодом распада - временем, за которое самопроизвольно распадается половина исходного количества его ядер. Применяется и близкая к периоду полураспада величина - среднее время жизни изотопа.

^ Описание на основе капельной модели
В общем случае ядро представляет собой квантовую систему многих тел (нуклонов), сильно взаимодействующих друг с другом. Описать динамику такой системы современными аналитическими методами практически невозможно. Поэтому приходится обращаться к моделям, созданным на основе определенных допущений, благодаря чему удается упростить реальные процессы и уподобить ядро какой-либо более простой и лучше изученной физической системе.

Моделей ядра очень много, каждая из них позволяет описать некую совокупность свойств и характеристик ядра. ^ Капельная модель ядра, предложенная Нильсом Бором и немецким теоретиком Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером была затем развита американским ученым Джоном Арчибальдом Уилером и российским физиком Яковом Ильичем Френкелем. Эту модель также называют гидродинамической из-за сходства некоторых характеристик ядра (постоянства плотности, удельной энергии связи и др.) со свойствами жидкости.




^ Фотография делящейся капли воды




^ Изменение потенциальной энергии и её составляющих в процессе деления ядра


Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра, этот подход восходит к работе Бора и Уилера 1939 года.

Для деления с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергией возбуждения, равной сумме энергии отделения (энергии связи) нейтрона и кинетической энергии захваченного нейтрона:

Евозб = Есв + Екин

Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями.


Физически аналогичную ситуацию можно получить, если поместить каплю воды на горячую горизонтальную поверхность. Если поверхность достаточно горячая, то капля будет плавать на изолирующем слое пара, поддерживающем её над поверхностью в свободном состоянии. При этом могут возникнуть колебания формы капли, при которых она примет последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Такое колебательное движение представляет собой состояние динамического равновесия между инерционным движением вещества капли и поверхностным натяжением, которое стремится поддерживать сферически симметричную форму капли. Если силы поверхностного натяжения достаточно велики, то процесс вытягивания капли прекратится раньше, чем капля разделится. Если же кинетическая энергия инерционного движения вещества капли окажется большой, то капля может принять гантелеобразную форму и при своём дальнейшем движении разделиться на две части.


В случае ядра процесс происходит аналогично, только к нему добавляется электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Если ядро находится в возбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт к разрыву исходной капли и образованию двух новых. Колебательные движения возможны под действием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских.

На поясняющем рисунке показано изменение потенциальной энергии и отдельных её составляющих в процессе деления заряженной капли. Энергия поверхностного натяжения резко возрастает с ростом малых деформаций (состояния 1-3) и остаётся практически неизменной после того, как капля приобретает гантелевидную форму (3-4). Энергия кулоновского взаимодействия плавно уменьшается с ростом деформаций практически во всём диапазоне состояний. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил и потенциальная энергия превращается в кинетическую (4-5). В итоге суммарная потенциальная энергия возрастает до момента деления капли, а затем уменьшается.

Барьер деления равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления .

Энергетически выгодно деление тяжёлых ядер ( больше нуля почти для всех ядер с ). Значения и зависят от массового числа ядра. Для ядер с барьер деления примерно равен 40—60 МэВ, с ростом значение уменьшается и для самых тяжёлых ядер становится равным приблизительно 6 МэВ. Для ядер с барьер деления равен практически нулю, поэтому таких ядер в природе нет. Энергия реакции деления возрастает с ростом массового числа от отрицательных значений для ядер с до около 200 МэВ для ядер с . Оценочные значения и для некоторых ядер:


A

16

60

100

140

200

236

, МэВ

−14,5

−16

13,5

44

135

205

, МэВ

18,5

48

47

62

40

6


Таким образом, для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извне энергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один — образование возбуждённого составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах составляет меньше 1 %.


Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двум причинам:

пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта, приблизительно на величину (энергия связи нейтрона в составном ядре), что следует из формулы для энергии возбуждения составного ядра;

деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основу для протекания цепной реакции деления.
^ Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления
Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума (двугорбый барьер деления), между которыми находится вторая потенциальная яма. Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы (соответствующей основному состоянию ядра) на 2—4 МэВ.

В общем случае деформация делящегося ядра описывается не одним, а несколькими параметрами. В таком многопараметрическом пространстве ядро может двигаться от начального состояния к точке разрыва различными путями. Такие пути называются модами (или каналами) деления. Так, в делении 235U тепловыми нейтронами выделяют три моды. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии.

Спонтанное деление

В некоторых случаях ядро может делиться самопроизвольно, без взаимодействия с другими частицами. Этот процесс называется спонтанным делением. Спонтанное деление — один из основных видов распада сверхтяжёлых ядер.

^ Спонтанное деление ядер в основном состоянии

Делению ядер, находящихся в основном состоянии, препятствует барьер деления.

Из рассмотрения механизма деления следует, что условие большой вероятности деления (соизмеримой с вероятностями других взаимодействий нейтронов с ядром) можно записать в виде:

,

то есть энергия возбуждения составного ядра должна быть не меньше барьера деления этого ядра. Деление возможно и при , но вероятность такого процесса резко уменьшается с уменьшением энергии возбуждения.

Механизм этого процесса объясняется в рамках квантовой механики и аналогичен механизму излучения α-частицы, проходящей через потенциальный барьер. Это так называемый туннельный эффект, из объяснения которого следует, что проницаемость любого энергетического барьера отлична от нуля, хотя и уменьшается с увеличением ширины и высоты барьера.

Вероятность спонтанного деления определяется в первую очередь проницаемостью барьера деления. В первом приближении (в рамках капельной модели) барьер деления уменьшается с ростом параметра деления исчезая при Таким образом, вероятность спонтанного деления увеличивается с ростом заряда ядра. Для всех существующих в природе ядер вероятность и соответственно скорость спонтанного деления очень малы. Лишь для самых тяжёлых из них скорости увеличиваются настолько, что могут быть определены экспериментально. Например для 238U и 239Pu период полураспада для спонтанного деления имеет порядок величины 1016 лет, а для 235U ещё больше.


Ядро

,
лет

,
лет

Доля спонтанного
деления, %

235U

(1,0 ± 0,3)×1019

(7,04 ± 0,01)×108

7×10−9

238U

(8,2 ± 0,1)×1015

(4,468 ± 0,003)×109

5,5×10−5

239Pu

(8 ± 2)×1015

(2,411 ± 0,003)×104

3×10−10

252Cf

86 ± 1

2,645 ± 0,008

3,09


Спонтанные деления имеют заметное значение как фоновый источник нейтронов в реакторах, содержащих большие количества 238U, и в реакторах, в которых накапливается заметное количество 239Pu, например, в реакторах на быстрых нейтронах. Для изучения свойств спонтанного деления зачастую используются более тяжёлые нуклиды, в первую очередь 252Cf. В спонтанном делении нуклидов c , в отличие от более лёгких ядер, превалирует симметричная мода (с примерно равными массами осколков деления).
^ Изомеры формы

Для некоторых нуклидов с зарядовым числом от 92 до 97 (от урана до берклия) обнаружены возбуждённые состояния с малым периодом полураспада по спонтанному делению. Вероятность спонтанного деления для этих состояний превосходит вероятность спонтанного деления для основных состояний соответствующих ядер. Эти состояния соответствуют нижнему уровню энергии ядра во второй потенциальной яме. Они характеризуются высокой степенью деформации и называются изомерами формы.

Высокая вероятность спонтанного деления изомеров формы объясняется значительно меньшей шириной барьера деления — делению из второй потенциальной ямы препятствует только внешний пик барьера деления. В свою очередь, внутренний пик препятствует гамма-переходу в основное состояние я